Bladachtige apparaten die licht genoeg zijn om op water te drijven, kunnen worden gebruikt om brandstof op te wekken uit zonneparken op open waterbronnen – een mogelijkheid die nog niet eerder is verkend, volgens onderzoekers van de Universiteit van Cambridge in Groot-Brittannië. ontwikkelde ze. De nieuwe apparaten zijn gemaakt van dunne, flexibele substraten en op perovskiet gebaseerde lichtabsorberende lagen, en tests hebben aangetoond dat ze waterstof of syngas (een mengsel van waterstof en koolmonoxide) kunnen produceren terwijl ze op de rivier de Cam drijven.
Kunstmatige bladeren zoals deze zijn een soort foto-elektrochemische cel (PEC) die zonlicht omzet in elektrische energie of brandstof door bepaalde aspecten van fotosynthese na te bootsen, zoals het splitsen van water in de samenstellende zuurstof en waterstof. Dit is anders dan conventionele fotovoltaïsche cellen, die licht direct omzetten in elektriciteit.
Omdat PEC-kunstbladeren zowel lichte oogst- als katalysecomponenten in één compact apparaat bevatten, zouden ze in principe goedkoop en eenvoudig kunnen worden gebruikt om brandstof uit zonlicht te produceren. Het probleem is dat de huidige technieken om ze te maken niet kunnen worden opgeschaald. Bovendien zijn ze vaak samengesteld uit kwetsbaar en zwaar bulkmateriaal, wat het gebruik ervan beperkt.
In 2019 een team van onderzoekers onder leiding van Erwin Reisner ontwikkelde een kunstmatig blad dat syngas produceerde uit zonlicht, koolstofdioxide en water. Dit apparaat bevatte twee lichtabsorbeerders en katalysatoren, maar het bevatte ook een dik glazen substraat en coatings om te beschermen tegen vocht, wat het omslachtig maakte.
Nieuwe, lichtgewicht versie
Om de nieuwe, lichtere versie te maken, moesten Reisner en collega's verschillende uitdagingen overwinnen. De eerste was het integreren van lichtabsorbers en katalysatoren in substraten die bestand zijn tegen waterinfiltratie. Om dit te doen, kozen ze voor een dunnefilmmetaaloxide, bismutvanadaat (BiVO4), en fotoactieve halfgeleiders, bekend als loodhalogenide-perovskieten, die op flexibele plastic- en metaalfolies kunnen worden gecoat. Vervolgens bedekten ze de apparaten met microndik waterafstotend polyethyleentereftalaat. Het resultaat was een structuur die werkt en eruit ziet als een echt blad.
“We hebben de lichtabsorbers in het midden van de apparaten geplaatst om ze tegen water te beschermen”, legt Reisner uit. “Vooral de vochtgevoelige perovskiet moet volledig geïsoleerd worden.”
De katalysatoren worden aan beide zijden van het apparaat afgezet. De perovskieten en BiVO4 oogsten zonnestraling, maar in plaats van elektriciteit te produceren zoals een fotovoltaïsch paneel, gebruiken ze de geoogste energie om een chemische reactie aan te drijven met behulp van de katalysatoren. “Hierdoor kunnen we in wezen de chemie op een zonnepaneel aansturen – in ons geval het broeikasgas koolstofdioxide omzetten met water om syngas te produceren, een belangrijke industriële energiedrager”, vertelt Reisner. Natuurkunde wereld.
De onderzoekers testten hun bladeren die drijven op de rivier de Cam in Cambridge en ontdekten dat ze zonlicht net zo efficiënt in brandstoffen omzetten als bladeren van natuurlijke planten. Een apparaat dat een platinakatalysator bevatte, behaalde inderdaad een activiteit van 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Boerderijen voor brandstofsynthese
“Zonneboerderijen zijn populair geworden voor de productie van elektriciteit; we hebben vergelijkbare boerderijen voor de brandstofsynthese voor ogen”, zegt teamlid Vergilius Andrei. “Deze kunnen kustnederzettingen en afgelegen eilanden van water voorzien, industriële vijvers bedekken of waterverdamping uit irrigatiekanalen voorkomen.”
De vloeistofstroom wordt op het oppervlak gestuurd, geïnspireerd door naaldboombladeren
“Veel hernieuwbare energietechnologieën, waaronder zonnebrandstoftechnologieën, kunnen grote hoeveelheden ruimte op het land in beslag nemen, dus het verplaatsen van de productie naar open water zou betekenen dat schone energie en landgebruik niet met elkaar concurreren”, voegt Reisner toe. “In theorie zou je deze apparaten kunnen oprollen en bijna overal kunnen neerzetten, in vrijwel elk land, wat ook zou bijdragen aan de energiezekerheid.”
De onderzoekers zeggen dat ze nu gaan werken aan het opschalen en verbeteren van de efficiëntie en stabiliteit van hun apparaten. “Ons team bestudeert ook nieuwe katalysatoren om de chemische reikwijdte van kunstmatige bladeren te vergroten, zodat we andere producten kunnen maken van overvloedige grondstoffen en idealiter, op de lange termijn, van veel verschillende chemicaliën op aanvraag”, zegt Reisner.
De huidige studie is gedetailleerd in NATUUR.
